پایان نامه بررسی منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) و ارائه روشی ساده جهت تسهیم بار بین UPS های موازی
مقدمه:
1-1 : منبع تغذية خطي
منابع تغذية خطي منابعي هستند كه عنصر كنترل آنها در ناحية فعال از عملكرد خود قرار دارد. اين عنصر به صورت سري يا موازي با بار قرار مي گيرد و با دريافت فيدبك از خروجي، ميزان ولتاژ و جريان بار خروجي را تنظيم مي كند به گونه اي كه ولتاژ خروجي در يك سطح از پيش تعيين شده ثابت باقي بماند. معمولاً عنصر كنترل در اين دسته از منابع يك ترانزيستور دو قطبي است كه با تنظيم جريان بيس آن ميزان جريان رسيده به بار كنترل مي شود. بلوك دياگرام ساده شدة اين نوع منبع تغذيه در شكل(1-1) نشان داده شده است.
شکل 1-1 : بلوک – دیاگرام ساده شده یک منبع تغذیه خطی
شکل 2-1 : شمای مداری یک منبع تغذیه خطی ساده
شماي مداري ساده شده يك منبع تغذيه خطي مي تواند به صورت شكل(2-1) ترسيم شود. نحوه عملرد اين مدار به صورت ذيل است. در ابتدا توسط يك ترانس كاهنده ولتاژ متناوب برق شهر به ولتاژ متناوبي با دامنه كمتر تبديل مي شود. ولتاژ به دست آمده يكسو و سپس فيلتر شده و درنهايت مقدار dc به دست آمده به عنصر فعال اعمال مي شود كه به طور سري با بار قرار داده شده است. با نمونهبرداري از ولتاژ خروجي و مقايسه آن با ولتاژ مرجع، عنصر سري به صورت يك مقاومت متغير كنترل شده تا بر اين اساس موجب تثبيت ولتاژ خروجي شود. بديهي است كه مقدار زيادي توان در عنصر سري به صورت حرارت تلف خواهد شد كه اين موجب كاهش راندمان اين نوع تغذيه ها ميشود.
در اين منابع براي اين كه گرايش ترانزيستور كنترل تأمين شود بايد همواره ولتاژ dc ورودي به ترانزيستور از ولتاژ خروجي موردنظر بيشتر باشد و ضربان ورودي به گونه اي نباشد كه ولتاژ ورودي حتي براي لحظاتي اندك از ولتاژ خروجي كم تر شود زيرا عنصر كنترل كننده از ناحيه خطي خود خارج شده و ولتاژ خروجي افت خواهد كرد. معمولاً كنترل و فيدبك اين نوع منابع تغذيه به صورت آنالوگ يا پيوسته مي باشد. ولتاژ خروجي با يك ولتاژ مرجع مقايسه شده و نتيجه مقايسه، جريان بيس را كنترل مي كند تا جريان كافي به بار برسد. در اينصورت ولتاژ خروجي عليرغمتغييرات مقداربار و يا جريان آن، ثابت باقي ميماند.
1-1-1 : مزاياي منابع تغذيه خطي
مزاياي يك منبع تغذيه خطي به شرح زير است:
1- پايداري زياد
2- نويزپذيري پايين
3- تثبيت عالي
4- نوسان كم خروجي
2-1-1 : معايب منبع تغذيه خطي
معايب يك منبع تغذيه خطي به شرح زير مي باشد:
1- بازده كم تر از %50 (در توان هاي نسبتاً زياد): راندمان منبع تغذيه خطي معمولاً كم است. دليل آن افت ولتاژ و در نتيجه اتلاف توان در عنصر كنترل است.
2- حجم زياد: يكي از معايب منبع تغذيه خطي حجم زياد آن به ويژه در توان زياد است. دليل اصلي حجيم شدن اين منابع دو عامل ذيل است:
الف) بزرگ بودن ترانس كاهنده ورودي
ب) نياز به گرماگيرهاي بزرگ به دليل تلفات زياد در عنصر كنترل
همان گونه كه بيان شد يكي از دلايل حجيم شدن منبع تغذيه خطي بزرگ بودن ترانس كاهنده ورودي آن مي باشد. اين ترانس به دلايلي نمي تواند از بلوك دياگرام كنار گذاشته شود. ترانس سبب مجزاسازي مدار خروجي از ورودي مي شود و از طرفي براي جلوگيري از تشعشع مدار و جلوگيري از نفوذ ميدانهاي الكرومغناطيسي خارجي مجبوريم كه زمين مدار را به بدنه منبع تغذيه خطي متصل كنيم و در صورت نبود ترانس خطر برق گرفتگي براي كاربر وجود دارد. به علاوه با توجه به (شكل 3-1 الف) اگر ولتاژ 220 ولت برق شهر را بدون ترانس به ورودي مدار اعمال كنيم در مرحله اول اين ولتاژ يكسو شده و ولتاژ دو سر خازن برابر ولت خواهد شد. در عين حال ترانزيستوري كه ولتاژ دوسر خازن را به ولتاژ نسبتاً كم خروجي مي رساند به دليل افت زياد ولتاژ، حرارت زيادي توليد مي كند كه در نهايت مي تواند باعث سوختن ترانزيستور شود.
شکل 3-1 : الف) اتصال مستقیم برق شهر به منبع تغذیه ب) اتصال ترا نسی برق شهر به منبع تغذیه
بنابراين براي حل اين مشكل مطابق شكل(3-1 ب) ترانسي در ورودي قرار مي دهيم تا برق شهر را تقريباً تا مقادير پايين تري كاهش دهد، در اين صورت افت ولتاژ دو سر ترانزيستور كم خواهد شد و گرماي حاصل از آن نيز كاهش مي يابد. نمايي از هسته هاي ترانس استاندارد موجود در بازار در شكل(4-1) نشان داده شده است. توان قابل تحمل يك ترانس با سطح مقطع هسته آن متناسب است. به طور تقريبي مي توان نوشت (به شكل دقت شود):
كه در اين رابطه S سطح مقطع شاخه وسط هسته برحسب سانتيمتر مربع، a واحد ابعادي هسته برحسب سانتيمتر و P توان قابل انتقال برحسب وات است. لذا با توجه به اين رابطه مشخص مي شود كه براي توان هاي زياد نمي توان از منابع تغذيه خطي استفاده كرد زيرا حجم ترانس آنها بسيار بزرگ مي شود.
3- عدم توانايي فشردهسازي به ويژه براي بهره وري بالا.
4- زمان نگهداري نسبتاً كوچك.
شکل 4-1 : نمایی از ترانس و ابعاد استاندارد آن
منبع تغذيه خطي داراي زمان نگهداري بسيار كمي مي باشد. منظور از زمان نگهداري مدت زماني است كه خروجي تغذيه عليرغم قطع بودن برق ورودي آن، هم چنان برقرار مي ماند. اگر بخواهيم اين زمان را افزايش دهيم بايد ظرفيت خازن هاي ورودي را بسيار بزرگ در نظر بگيريم كه طبعاً حجم زيادي اشغال مي كند.
5- مناسب براي ولتاژهاي كم.
اين نوع منابع بيشتر براي ولتاژهاي خروجي پايين به كار برده مي شوند و اين يكي از معايب منبع تغذيه خطي است كه استفاده از آن در ولتاژهاي زياد مقرون به صرفه نيست.
2-1 : منبع تغذيه غيرخطي (سوئيچينگ)
معايب منبع تغذيه خطي مي تواند با استفاده از منبع سوئيچينگ كاهش يافته و يا حذف شود. بلوك دياگرام ساده شده يك منبع غيرخطي (سوئيچينگ) در شكل(5-1) نمايش داده شده است. شماي مداري ساده شده اين بلوك دياگرام مي تواند به صورت شكل(6-1) توصيف شود (از واحد فيدبك و كنترل صرف نظر شده است).
شکل 5-1 : بلوک – دیاگرام ساده شده یک منبع تغذیه سوئیچینگ
شکل 6-1 : شمای کلی کاملا ساده شده یک منبع تغذیه سوئیچینگ بدون کنترل
نحوه عملكرد اين مدار به صورت زير است. ابتدا ولتاژ متناوب برق شهر مستقيماً يكسو و فيلتر مي شود تا يك ولتاژ DC نسبتاً زياد توليد شود.
اين ولتاژ به عنصر سوئيچينگ (كه در شكل(6-1) به صورت يك كليد نمايش داده شده است) اعمال مي شود تا موج مربعي فركانس زياد حاصله بعد از عبور از يك ترانس كاهنده و يكسوسازي، ولتاژ dc موردنياز را توليد كند. بديهي است كه با كنترل زمان و قطع و وصل كليد ميتوان دامنه ولتاژ خروجي را بر روي يك مقدار مشخص تثبيت كرد. اين عمل مي تواند توسط واحد فيدبك و كنترل انجام گيرد كه در شكل(6-1) ترسيم نشده است.
1-2-1 : مزاياي منبع تغذيه سوئيچينگ
منابع تغذيه سوئيچينگ داراي مزايايي به شرح زير مي باشند:
1- راندمان بزرگ تر از %50
معمولاً بازده منابع تغذيه سوئيچينگ بيشتر از بازده تغذيه خطي مي باشد. بازده منابع تغذيه سوئيچينگ بين %70 تا %80 است. در منابع تغذيه سوئيچينگ عنصر كنترل (سوئيچينگ) در حالت اشباع و قطع كار مي كند و توان تلفاتي پاييني دارد، در حالي كه در منابع تغذيه خطي عنصر كنترل در حالت فعال كار مي كند و توان تلفاتي بالائي دارد. در واقع با فرض ايدهآل بودن عنصر كنترل داريم:
رابطه فوق نشان مي دهد كه در منبع سوئيچينگ با فرض ايدهآل بودن ترانزيستور هيچگونه تواني تلف نميشود. اما براي منابع خطي در بهترين شرايط داريم:
كه نشان مي دهد توان بسيار زيادي به ويژه در جريان زياد تلف مي شود كه بيان گر اين موضوع است كه منابع خطي نمي توانند راندمان بالايي داشته باشند.
2- ابعاد كوچك ترانس
در منابع تغذيه خطي ترانس در فركانس 50 هرتز برق شهر كار مي كند. بر اين اساس انرژي نسبتاً زياد در تعداد دفعات كم به خروجي منتقل مي شود. در حالي كه در منبع تغذيه سوئيچينگ با افزايش فركانس، بسته هاي انرژي كوچك تري در تعداد دفعات بيشتري منتقل مي گردد. براي مثال منبع پر از آبي را در نظر بگيريد، اگر اين منبع را با يك ظرف بزرگ و با سرعت كم و يا با يك فنجان ولي، با سرعت زياد خالي كنيم، هر دو مي توانند در يك زمان منبع را خالي كنند با اين كه ظرفيت و حجم يك فنجان بسيار كوچكتر است. از اين مثال اين موضوع را درك مي كنيم كه در منابع تغذيه سوئيچينگ با افزايش فركانس، حجم ترانس كوچك مي شود. به عنوان مثال اگر فركانس سوئيچينگ برابر با KHz30 و فركانس برق شهر Hz50 باشد، ابعاد ترانس در منابع تغذيه سوئيچينگ نسبت به منابع تغذيه خطي 600 برابر كوچكتر مي باشد، زيرا:
3- سبك بودن منبع تغذيه
بيش تر وزن يك منبع به ترانس آن بستگي دارد. حال اگر ترانس كوچك باشد اين منبع سبك خواهد شد.
4- كاملاً فشرده
منابع تغذيه سوئيچينگ را مي توان در بستهبنديهاي كاملاً فشرده قرار دارد، چون اتلاف حرارتي كمي دارند.
5- ورودي با محدوده ديناميكي زياد
ولتاژ ورودي مي تواند در محدوده وسيعي تغيير كند در حالي كه ولتاژ خروجي ثابت باقي بماند.
6- زمان نگهداري بيش از پنج ميلي ثانيه.
در منابع تغذيه سوئيچينگ زمان نگهداري بيشتر از منابع تغذيه خطي است. دليل آن ولتاژdc بالايي است كه در خازن ورودي ذخيره مي شود. از آنجائي كه انرژي ذخيره شده در خازن با مربع ولتاژ رابطه دارد به همين دليل منبع سوئيچينگ زمان نگهداري بيشتري دارد.
2-2-1 : معايب منابع تغذيه سوئيچينگ
منبع تغذيه سوئيچينگ با بلوك دياگرامي كه در شكل(5-1) معرفي شد، همانند منابع تغذيه خطي داراي معايبي مي باشد كه در ادامه سعي بر رفع اين معايب و يا در واقع ارائه بلوك دياگرام كاملتر يك منبع تغذيه سوئيچينگ داريم. اين معايب به شرح زير مي باشد:
1- به دليل نوع فيدبك به كار برده شده ايزولاسيون (مجزاسازي) مدار از بين مي رود و در اين حالت زمين ورودي به زمين خروجي متصل مي شود و خطر برق گرفتگي براي كاربر به وجود ميآيد.
2- باتوجه به شكل(6-1) تغييرات ولتاژ و جريان در نقطه (a) باعث تشعشع مي شود. در اين حالت علاوه بر تشعشع، تلفات در ترانس افزايش يافته و با افزايش تلفات در ترانس، بازده آن كاهش مي يابد. به عنوان مثال اگر ولتاژ برق شهر برابر با 220 ولت مؤثر باشد، مقدار ولتاژ dc خازن ورودي برابر با ولت خواهد شد. اگر زمان روشني عنصر سوئيچينگ برابر با يك ميكروثانيه فرض شود، در اين صورت داريم:
رابطه فوق نشان مي دهد كه ترانس داراي تشعشع الكتريكي و يا تشعشع مستقيم خواهد بود. با فرض راندمان صد در صد و و داريم كه:
يعني تشعشع مغناطيس و يا غيرمستقيم در ترانس وجود دارد. در حالت كلي مسيرهاي انتقال توان به دو صورت مي باشد:
الف) مستقيم كه از طريق سيم هاي ارتباطي انتشار مي يابد.
ب) غيرمستقيم كه از طريق محيط، ارتباط برقرار مي شود.
اما با توجه به روابط ذيل و با فرض آن كه ولتاژ برق شهر برابر با 220 ولت مؤثر و فركانس Hz50 باشد، در منابع تغذيه خطي تشعشع وجود ندارد و انرژي به خارج منتقل نمي شود:
توجه شود كه در سرتاسر اين كتاب از اثر dB / dt صرفنظر خواهيم كرد.
3- نياز به حفاظت در مقابل اضافه بار
در منابع تغذيه خطي و يا غيرخطي از اتصالات P-N بسيار استفاده مي شود. يك اتصال P-N ايدهآل در شكل(7-1) نشان داده شده است.
شکل 7-1 : اتصال P – N ایده آل
شکل 8-1 : اتصال P – N واقعی
اما در عمل شكل واقعي يك پيوند P-N همانند شكل(8-1)مي باشد. هنگامي كه از يك پيوند P-N جريان DC عبور مي دهيم بيشتر جريان DC از نقاط تختي همانند a و b عبور ميكند. حال اگر جريان بيش از حد قابل تحمل پيوند باشد پيش از آن كه پيوند اتصال كوتاه شود، در اثر گرم شدن پيوند سيم ارتباطي آن كه با جوش اولتراسوند وصل شده جدا خواهد شد (شكل 9-1). در منابع تغذيه خطي عنصر كنترل، جريان DC از خود عبور مي دهد و معمولاً با اتصال باز مواجه ميشويم.
شکل 9-1 : اتصال با جوش التراسوند
شکل 10-1 : نفوذ ناخالصی ناحیه p بداخل نیمه هادی نوع n و اتصال کوتاه پیوند
هنگامي كه از يك پيوند P-N جريان پالسي عبور دهيم اين جريان از نقاطي همانند نقطة c عبور مي كند. حال اگر مقدار اين جريان افزايش يابد، در اثر گرم شدن موضعي پيوند، ناخالصيهاي ناحيه p واقع در نقاط نوك تيز به داخل نيمههادي نوع n نفوذ مي كنند و سبب اتصال كوتاه شدن پيوند مي شوند.
4- با قطع شدن فيدبك در منابع تغذيه خطي افزايش ولتاژ وجود ندارد. در حالي كه در منابع تغذيه سوئيچينگ با قطع شدن فيدبك، قسمت كنترلي ولتاژ خروجي را صفر مي بيند و لذا براي افزايش ولتاژ انرژي بيشتري را به خروجي منتقل مي كند. زيرا قسمت كنترلي، كاهش ولتاژ را در اثر افزايش بار مي داند. انتقال انرژي بيشتر به خروجي سبب افزايش ولتاژ خروجي مي شود تا جايي كه منجر به سوختن عناصر مدار مي شود.
5- جريان هاي يورشي زياد
جريان هاي يورشي به جريان هايي گفته مي شود كه در لحظه اول بعد از وصل شدن منبع تغذيه به علت شارژ نبودن خازن هاي مدار از ورودي دريافت مي شود. در منابع تغذيه خطي مطابق شكل(3-1) با وجود ترانس هاي كاهنده در ورودي، جريان هاي يورشي كم است. در منابع تغذيه غيرخطي مطابق شكل(6-1) با توجه به اين كه در ورودي، ترانسي وجود ندارد ولتاژ اعمالي به دو سر خازن زياد است لذا جريان يورشي زياد خواهد بود
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.